CN107422336B - 一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统，属于光电成像技术领域。主要包括脉冲激光器、发射和接收光学系统、反射镜、微透镜阵列、光纤传像束、条纹管I/II、CCD相机I/II、控制和处理系统。基本原理是脉冲激光器发射激光脉冲，激光经发射光学系统和反射镜后照射至目标物，被反射的激光经接收光学系统接收，并成像于微透镜阵列，像面被微透镜阵列和光纤传像束非均匀取样后，耦合至两个条纹管的光电阴极，两个CCD相机分别采集两个荧光屏上的条纹图像，并发送至控制和处理系统，最后通过算法得到目标的强度像和距离像。解决了非扫描条纹管激光成像雷达高空间分辨率、远距离探测、大视场和大景深之间的矛盾。

Description

一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统

技术领域

本发明涉及一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统，属于光电成像技术领域。

背景技术

条纹管激光成像雷达是上个世纪末出现的一种新体制激光成像雷达，它可以分为扫描式和非扫描式两种成像机理。与传统的点扫描式激光雷达相比，它具有高精度、高帧频等技术优势，是一种能够快速获取目标强度和距离信息的有效手段。经过十几年的研究，条纹管激光成像雷达已经发展出单狭缝、多狭缝、偏振等多种成像方式。国外研究机构已经成功研制出多种条纹管激光雷达系统，并将其成功应用于水雷侦察、鱼群监测、地形测绘等领域，显示了其广阔的应用前景。国内一些机构也注意到了它的研究价值，开展了对这种激光雷达的研究工作。非扫描条纹管激光成像雷达主要由大光斑激光器、接收光学系统、光纤转换系统、条纹管、高速相机、数据处理系统和控制系统组成。其中条纹管是整个激光成像雷达系统的核心器件，条纹管主要由光电阴极、加速系统、聚焦系统、偏转系统和荧光屏等部分组成。条纹管激光成像雷达是一个极其复杂的多系统装置，其中每一个部件的性能，及不同部件之间的兼容性将决定最终条纹图像的质量和重构后图像的精度。

在激光成像雷达系统应用中，我们往往希望激光成像雷达同时拥有高的空间分辨率、远的探测距离、大的成像视场和大的成像景深。对于非扫描条纹管激光成像雷达，为了追求高的空间分辨率，接收光学系统像平面中需要采用直径更小的光纤，而光纤直径的减小，会导致每根光纤接收到的激光回波能量的降低，而激光回波能量的降低将会减小激光雷达系统的探测距离。为了追求大视场，光纤转换系统中需要包含更多的光纤，而光纤数量的增多，势必会减少条纹管荧光屏上每根光纤对应的纵向范围，在时间分辨率一定时，纵向范围的减少等同于每个像素点成像景深的减小；因此受到固有成像原理的限制，一般的非扫描条纹管激光成像雷达无法解决高空间分辨率、远距离探测、大视场和大景深之间的矛盾。尤其是在景深方面(对于距离像来说，成像景深是指像素点的距离探测范围，也可以称之为距离门选通距离，条纹管激光雷达需要借助触发信号延时设备和距离选通方法才能实现远距离探测)，对比其他激光成像雷达体制，条纹管激光成像雷达本就处于劣势，而非扫描机理又进一步减小了它的成像景深。因此如何解决非扫描条纹管激光成像雷达高空间分辨率、远距离探测、大视场和大景深之间的矛盾是一个重要的研究课题。微透镜阵列可以实现非均匀取样，而非均匀取样是一种兼顾空间分辨率和视场的取样模式，非均匀取样也可以增大外环像素点的探测距离；光纤具有很好地的柔韧性，可以改变光线的传播方向，从而可以实现多个条纹管的同时成像，增大了条纹管荧光屏上每根光纤对应的纵向范围，进而增大了成像景深。因此，本发明使用非均匀取样模式和多条纹管成像模式，成功的解决了非扫描条纹管激光成像雷达高空间分辨率、远距离探测、大视场和大景深之间的矛盾。

发明内容

本发明解决了条纹管激光成像雷达高空间分辨率、远距离探测、大视场和大景深之间的矛盾，提出了一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明是一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统。该装置包括脉冲激光器、扩束整形光学系统、平面反射镜、接收光学系统、微透镜阵列、光纤传像束、条纹管I、CCD相机I、条纹管II、CCD相机II、控制和处理系统；

所述的脉冲激光器能够在接收到脉冲触发信号后发射窄脉冲激光光束；

所述的扩束整形光学系统具有对激光脉冲光束进行扩束和整形的作用，其位于脉冲激光器的前端；

所述的平面反射镜能够改变激光光束的传播方向，其位于接收光学系统的前端；

所述的接收光学系统是一种大口径长焦的折反射式望远接收光学系统，其位于微透镜阵列的前端；

所述的微透镜阵列包含三种口径的微透镜，其位于接收光学系统的像平面上，微透镜按照口径由大到小分别位于像平面外环、中间环和中心区域，以此实现对像平面的非均匀采样；

所述的光纤传像束是由数条光纤拼接而成，它的排列方式与微透镜阵相对应，每个微透镜焦点处放置一条光纤，光纤传像束的另一端被分割成两部分，分别耦合到两个条纹管的光电阴极上，其在光电阴极上成行紧密排列，每行之间具有一定的间隔；

所述的条纹管是一种高时间分辨率的条纹管；

所述的CCD相机是一种低噪声大像素数量的高速黑白相机，其位于条纹管的荧光屏处；

所述的控制和处理系统是一个高速数据处理和控制板卡，它精准的控制着整个成像系统的工作时序，和对采集到的数据进行处理。

工作过程为：脉冲激光器发射激光脉冲光束，激光光束经过扩束整形光学系统后照射至平面反射镜，激光光束的传播方向被平面反射镜旋转后直接照射至目标物，被目标物反射的激光光束经接收光学系统接收，并最终成像于微透镜阵列，目标物的像在微透镜阵列上被非均匀取样，光纤传像束将取样后的激光光束耦合至两个条纹管的光电阴极，光电阴极将激光脉冲信号转换成电子脉冲信号，电子脉冲信号在每个条纹管内部被处理后，最终成像于荧光屏之上，两个CCD相机分别采集两个荧光屏上的条纹图像，并发送至控制和处理系统，控制和处理系统在接收到条纹图像后，通过重构算法得到目标的强度像和距离像。

有益效果

本发明利用不同口径的微透镜对像平面进行非均匀取样，变空间分辨率的采样机理同时解决了大视场和高空间分辨率之间的矛盾，同时像平面外侧的大口径微透镜也能够实现远距离探测；利用光纤的柔韧性将光纤重新分布于两个条纹管的光电阴极之上，增大了荧光屏上每根光纤对应的纵向范围，实现了大景深激光成像。因此本发明解决了非扫描条纹管激光成像雷达高空间分辨率、远距离探测、大视场和大景深之间的矛盾。扩展了条纹管在激光成像雷达中的应用。

附图说明

图1为实施例中一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统的示意图；

其中，1-脉冲激光器，2-扩束整形光学系统，3-平面反射镜，4-接收光学系统，5-微透镜阵列，6-光纤传像束，7-条纹管I，8-CCD相机I，9-条纹管II，10-CCD相机II，11-控制和处理系统；

图2为实施例中像平面上微透镜阵列的排列模式示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例

一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统。如图1所示，该装置包括脉冲激光器1、扩束整形光学系统2、平面反射镜3、接收光学系统4、微透镜阵列5、光纤传像束6、条纹管I7、CCD相机I8、条纹管II9、CCD相机II10、控制和处理系统11；

所述的脉冲激光器1能够在接收到脉冲触发信号后发射波长为1064nm、脉冲宽度为5ns、重复频率为50Hz和发散角较小的激光脉冲光束，该激光器需要具有单色性好、稳定性强和散热性能好的特点；

所述的扩束整形光学系统2具有多片镜头，并且镜头表面均镀有1064nm波段的增透膜，该发射光学系统具有扩束和整形两个作用，扩束需要使激光照射光斑范围足够大，整形需要使光斑光强分部尽量均匀；

所述的平面反射镜3表面镀有1064nm波段的增反膜，它能够以最大的反射率改变激光光束传播方向，借助该反射镜实现发射光路与接收光路的共光路；

所述的接收光学系统4是一种大口径长焦的折反射式望远接收光学系统，较大的接收口径可以增加进光量，增大探测距离；较长的焦距可以实现长距离高精度成像；每片镜头表面需要镀有1064nm波段的红外增透膜；此外该接收光学系统需要满足成像质量高，畸变与像差小；

所述的微透镜阵列5是经过微加工技术制造的微透镜阵列，该阵列中包含三种口径的微透镜，以此实现对像平面的非均匀采样，最小口径微透镜均匀的排列于中心，然后在其外侧排列中等口径微透镜，最外侧排列最大口径的微透镜，其中每个透镜的焦距相同，且满足光纤的数值孔径，此外该阵列应位于接收光学系统的像平面上；

所述的光纤传像束6是由数条光纤拼接而成，它的排列方式与微透镜阵相对应，每个微透镜焦点处放置一条光纤，每条光纤需要具有较大内径和较小外径，以增大进光量；光纤传像束的另一端被分割成为两部分，且分别耦合到后面两个条纹管的光电阴极上，其在光电阴极上成行紧密排列，每行之间具有一定的间隔；

所述的条纹管7/9是一种高时间分辨率的条纹管，其光电阴极的响应波段为1064nm，要求每个条纹管均具有较大的光电阴极面积，以增大条纹管的成像景深；

所述的CCD相机8/10是一种高速相机，其可以实现50Hz的高速拍摄，要求其具有较快的快门开关速度，尤其要求该相机拥有极低的暗电流噪声和极高的像素数量；

所述的控制和处理系统11是一个高速数据处理和控制板卡，它精准的控制着整个成像系统的工作时序，并且能够迅速的对每个CCD相机采集到的条纹图像进行重构处理，以实现对目标强度像和距离像的采集。

工作过程为：控制和处理系统11首先向脉冲激光器1发送起始信号，然后在经过一段时间的延时后，控制和处理系统11同时向两个条纹管7/9和两个CCD相机8/10发送工作信号，在脉冲激光器1接收到工作信号后，迅速发射激光脉冲光束，激光光束经过扩束整形光学系统2的扩束整形后照射至平面反射镜3，激光光束的传播方向被平面反射镜3旋转90度后直接照射至目标物，被目标物反射的激光光束被接收光学系统4接收，并最终成像于微透镜阵列5，目标物的像在微透镜阵列上被非均匀取样，每个微透镜将收集到的激光光束汇聚到对应的光纤内，光纤传像束6将每条光纤内的激光光束耦合到两个条纹管7/9的光电阴极之上，此时在控制和处理系统11的时序控制下，两个条纹管7/9的光电快门已经被打开，所以每个照射到光电阴极上的激光脉冲被光电阴极复制成为时空结构一致的电子脉冲信号，所有电子脉冲信号在经过条纹管7/9内部处理后，分别成像于两个条纹管的荧光屏之上，此时在控制和处理系统11的时序控制下，两个CCD相机8/10恰好处于工作状态，两个荧光屏上的条纹图像分别被CCD相机8/10采集，并发送至控制和处理系统11，控制和处理系统11在接收到条纹图像后，迅速通过高效的重构算法得到目标的强度像和距离像，至此一轮成像结束，控制和处理系统11可以开始下一轮的成像时序安排。

工作原理：

非均匀取样是一种兼顾空间分辨率和视场的取样模式，它可以使用较少的像素数量和变化的空间分辨率实现大范围成像，本发明采用微透镜阵列实现非均匀取样。在像平面中心使用小口径微透镜进行取样，此区域拥有最大的空间分辨率，被称之为识别区，此区域采集到的图像可以用于目标识别和跟踪等；在像平面中间环使用中等口径微透镜进行取样，此区域拥有中等空间分辨率，被称之为过渡区域，此区域采集到的图像可以用于判别进入视场的目标是否为需要进一步识别的目标；在像平面最外环使用大等口径微透镜进行取样，此区域拥有很低的空间分辨率，被称之为搜索区域，此区域采集到的图像可以用于判别是否有物体进入视场，此区域拥有最大的微透镜直径，所以每个微透镜可以接收更多的激光回波能量，所以其搜索距离更远；与均匀取样相比，非均匀取样拥有更大的视场、更高的空间分辨率、更远的探测距离和更少的像素数量。

光纤传像束的工作原理为光的全反射原理，光从光密介质射向光疏介质时，当入射角超过某一临界角后，折射光将会完全消失，介质中将会仅剩反射光，也即光的全反射原理。借由这一机理，微透镜阵列结合光纤传像束，可以将像平面重新采样并以预定的规则排列到条纹管的光电阴极上，本发明将所有光纤分两部分分别耦合至两个条纹管的光电阴极。光纤传像束的排列方式将会影响到最终的图像重构方式，光纤传像束的组成也会决定重构所得图像的有效像素数量。微透镜阵列中每个透镜需要满足光纤传像束中每条光纤的数值孔径，以寻求最大的入射能量。

条纹管的工作过程为，脉冲激光信号照射到条纹变像管的光电阴极上，光电阴极上的狭缝将产生光电子，其瞬态发射密度正比于该时刻的脉冲激光强度，因此光电阴极发出的电子脉冲在时空结构上是入射激光脉冲的复制品。电子脉冲经偏转系统，由于偏转电极上加有随时间线性变化的电压，所以电子脉冲在荧光屏上将沿垂直于狭缝方向展开，这就实现了时间信号向空间信号的转换。利用屏幕上条纹的相对位置就可以分辨出目标的距离信息，读取条纹的灰度信息可以得到目标的强度信息。由于激光脉冲具有一定脉宽，在偏转系统扫描电压的作用下，使得单时间通道内的条纹像并不是由单个像素构成，而是有一定的展宽，再根据条纹图像进行三维重构时，需准确提取出单时间通道内目标回波信号的最大值点，以此作为目标的特征点，再根据这些特征点重构出目标的强度图像和三维距离图像。正如以上所述原理，条纹管单时间通道的最大时间测量范围取决于该通道在荧光屏上对应的纵向范围和最小时间测量间隔，一般最小时间测量间隔是固定的，本发明借由光纤传像束的柔韧性实现双条纹管同时成像，增加了单时间通道在荧光屏上对应的纵向范围，实现了大景深成像。基于条纹管的激光成像雷达是一个非常复杂的系统，其每个部件的工作时序需要中央控制系统的精确控制，否则该系统将无法正常成像。

Claims (3)

1.一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统，包括脉冲激光器、扩束整形光学系统、平面反射镜、接收光学系统、光纤传像束、条纹管、CCD相机、控制和处理系统，其特征在于，所述大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统还包括：微透镜阵列、双条纹管和双CCD相机，微透镜阵列位于接收光学系统的像平面上，且包含三种口径的微透镜，以实现对像平面的非均匀取样，光纤传像束的前端面位于微透镜阵列的焦平面上，且，所述的光纤传像束是由数条光纤拼接而成，它的排列方式与微透镜阵列相对应，且每个微透镜焦点处放置一条光纤，以收集来自于微透镜阵列的光能量，光纤传像束的后端被分成两部分，且分别耦合到两个条纹管的光电阴极上，以实现双条纹管工作模式；

具体实施步骤：脉冲激光器发射激光脉冲光束，激光光束经过扩束整形光学系统后照射至平面反射镜，激光光束的传播方向被平面反射镜旋转后直接照射至目标物，被目标物反射的激光光束经接收光学系统接收，并最终成像于微透镜阵列，目标物的像在微透镜阵列上被非均匀取样，所述微透镜阵列中每个微透镜将收集到的激光光束汇聚到对应的光纤内，光纤传像束将每条光纤内的激光光束耦合至两个条纹管的光电阴极，光电阴极将激光脉冲信号转换成电子脉冲信号，电子脉冲信号在每个条纹管内部被处理后，最终成像于荧光屏之上，两个CCD相机分别采集两个荧光屏上的条纹图像，并发送至控制和处理系统，控制和处理系统在接收到条纹图像后，通过重构算法得到目标物的强度像和距离像。

2.根据权利要求1所述的一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统，其特征在于，所述的微透镜阵列是经过微加工技术制造的微透镜阵列，该阵列中三种微透镜的口径之比为1:2:4，微透镜成整齐的方形密排结构，微透镜按照口径由大到小分别位于像平面外环、中间环和中心区域，该阵列应位于接收光学系统的像平面上。

3.根据权利要求1所述的一种大视场大景深的变分辨率非扫描条纹管激光成像系统，其特征在于，每条光纤需要具有较大内径和较小外径，光纤传像束的另一端被分割成为两部分，且分别耦合到后面两个条纹管的光电阴极上，其在光电阴极上成行紧密排列，每行之间具有一定的间隔。

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